冷态花瓣形旋流燃烧器回流区特性分析

李慧君，　贾宝桐，　焦英智，　魏　刚

(1.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北保定 071003；2.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021)



冷态花瓣形旋流燃烧器回流区特性分析

李慧君1，贾宝桐1，焦英智1，魏刚2

(1.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北保定 071003；2.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021)

建立了花瓣形旋流燃烧器的物理模型，采用Fluent软件对不同内二次风切向速度下花瓣形旋流燃烧器出口的流场进行了数值模拟，分析了其回流区特性，并与冷态下的试验结果进行比较.结果表明：花瓣形旋流燃烧器能在瓣峰后形成轴向和径向回流区，径向的对流换热能起到很好的稳燃效果，提高了对低品质煤种的适应性；在一定范围内，切向速度越大，轴向回流区形成越快，但过大的切向速度会使径向回流区的面积减小.

花瓣形旋流燃烧器； 稳燃； 回流区； 出口流场； 数值模拟

随着电力行业稳燃和低氮燃烧目标的提出[1]，旋流燃烧器在电厂改造中受到众多电厂的青睐.旋流燃烧器改造方便，只需在原有燃烧器安装位置处更换新型低NOx旋流燃烧器即可，无需考虑燃烧器安装角度和一、二次风集中布置等问题[2].另外，旋流燃烧器的稳燃能力突出，出口处的旋转射流同时具有向前运动的轴向速度和沿圆周运动的切向速度，其卷吸能力有利于形成高温烟气回流区，使得气流强烈混合[3]；而直流燃烧器通过四角气流配合形成旋转气流，加强煤粉燃烧，倘若四角布置的燃烧器出口气流方向不是水平方向，极易引起气流偏斜，造成炉内温度场和速度场严重不均匀[4].因此，相对直流燃烧器，旋流燃烧器在电厂改造和稳燃方面的优势较明显.

但我国目前采用的旋流燃烧器大多为引进国外已经成熟的燃烧器，这些燃烧器在燃烧高挥发分煤种时效果较好，在燃烧我国储量最多的低品质贫煤和烟煤时效果并不理想[5-7]，现场反馈中发现燃烧低品质煤时极易出现炉内结渣甚至高负荷熄火现象.如赵晓光等[8]发现辽宁清河发电有限责任公司由于燃烧褐煤，燃烧器喷口结渣严重，排烟温度偏高，燃烧器热态调整后,着火情况有所好转,结渣明显缓解；高小涛等[9]认为，改变燃烧器参数会影响主燃烧区的氧量水平，更换新型旋流燃烧器能有效提高锅炉对烟煤的适应能力；林正春等[4]注意到NR3燃烧器回流区为中间环状结构，能够保证良好的着火性能，其NOx排放量较低，可满足国家环保标准要求.燃烧器性能直接影响锅炉燃烧的稳定性和污染物的排放量，需要对引进的旋流燃烧器进行必要的研究分析，了解其稳燃机理，从而更快地研制出适合燃用我国低品质煤的旋流燃烧器.

赵伶伶等[10-12]研究了一种引进的花瓣形旋流燃烧器(以下简称花瓣燃烧器)，该花瓣燃烧器带有中心风管，在中心风和花瓣稳燃环的共同作用下，每个花瓣后可形成一个径向回流区，与中心回流区相连，具有较好的稳燃能力.笔者研究的花瓣燃烧器秉承了西门子公司的技术，不设中心风，在一次风管内安装了均流环，配合花瓣形喷口和一、二次风的旋流作用同样能形成稳定的回流区，使煤粉稳定燃烧，采用Fluent软件对新型花瓣燃烧器出口流场进行了模拟，分析其回流区特性.

1　花瓣燃烧器的工作原理

在河北西柏坡发电有限责任公司试用新型花瓣燃烧器，其燃烧状况良好.由于该花瓣燃烧器的特殊结构，在出口处能同时形成轴向和径向回流区.在轴向回流区中，一、二次风通过剪切层面的接触与高温烟气进行换热；在径向回流区中，煤粉与回流的高温烟气形成强烈的对流换热，获得稳定燃烧所需要的热量.

2　物理模型的建立及验证

2.1物理模型的建立

以某电厂花瓣燃烧器为模拟对象，一次风管喷口类似花瓣，如图1所示.在每个瓣峰上安装了片状小钝体，在建立的模型中x轴通过瓣峰中心，y轴通过瓣谷中心，喷口中心为坐标原点.

图1　一次风管示意图

花瓣燃烧器和整体模型的示意图如图2所示.一次风采用直流送风方式，内、外二次风为旋流送风.一次风管中安装了均流环，通过弯管的煤粉能够形成外浓内淡的煤粉分布.计算区域为燃烧器本体和其出口2 m×2 m×6 m的长方体，如图2(b)所示.在边界层设置中，为更真实地反映对冲式炉膛的实际情况，上下面均设为出口面，左侧为墙，其他面为镜像面，且保证上出口面的压力比下出口面低，使得炉内气体整体向上偏移.采用Realizableκ-ε模型能较为准确地反映旋转流动情况[13].

(a)花瓣燃烧器

(b)整体模型

Fig.2Schematic diagram of the petal-shaped swirl burner and its overall model

2.2模型准确性验证

为验证上述模型的准确性，首先通过飘带法测量动力场试验的回流区大小，之后根据实际工况，按照等温模化原理[14]，计算出对应的一、二次风速度，即一次风速度为16 m/s，内二次风轴向和切向速度分别为26 m/s和28 m/s，外二次风径向和切向速度分别为-8.5 m/s和6.5 m/s.根据所得的一、二次风速度，在上下出口面压差Δp为2 Pa和4 Pa的情况下，对花瓣燃烧器出口流场进行数值模拟，确定瓣谷中心y-z面与瓣峰中心x-z面的回流区的大小，并与试验中的回流区大小进行比较，结果见图3.

(a)y-z面

(b)x-z面

图3(a)中上下出口面压差为2 Pa时的上部回流区大于压差为4 Pa时的上部回流区，且后者回流区明显小于试验结果，说明当上下出口面压差较大时，气流向上偏转，会影响上部回流区的大小；图3(b)中不同压差下瓣峰中心面的回流区与试验结果类似.综上所述，在x轴和y轴方向，上下出口面压差为2 Pa时的回流区与试验所得回流区基本一致.

3　回流区特性分析

为了更直观地说明花瓣燃烧器的稳燃原理，调整内二次风切向速度，保证其他速度不变，其中外二次风合速度为10 m/s,径向和切向的速度分量比例分别为0.8和0.6，此时等效于外二次风叶片角度恒定，只改变内二次风叶片角度.在上下出口面压差为2 Pa时，分别对3种工况(见表1)下花瓣燃烧器的出口流场进行模拟.

表1　数值模拟工况

3.1轴向回流区特性分析

3种工况下瓣谷中心y-z面和瓣峰中心x-z面的轴向速度云图如图4所示.瓣谷中心y-z面的回流区处在内二次风包围中，回流的高温烟气更多地用于预热内二次风，而没有直接给煤粉提供热量，在一定程度上降低了花瓣燃烧器的稳燃能力.但另一方面，瓣谷侧一次风管呈收缩状，一次风携带煤粉进入时煤粉由于惯性向中心流动，这种管型起到了浓缩煤粉的作用，降低了着火热；同时相比于传统的中心大回流区，此种对称型回流区更有利于维持一次风的刚度，有效地降低了燃烧器结渣的可能性.

图4中瓣峰中心处的轴向回流区处在一次风与内二次风之间，回流的高温烟气直接加热一次风中的煤粉，使煤粉迅速达到着火热.工况1下瓣峰中心处形成了明显的对称型轴向回流区，工况2的回流区有所减小，工况3只在下部出现了模糊的回流区.结合表1中各工况的参数说明，在一定范围内，内二次风切向速度越大，越容易形成轴向回流区.另一方面，轴向回流区的存在可推迟煤粉与二次风的过早混合，降低了着火热.

3.2径向回流区特性分析

图5为3种工况下z=0.3 m平面处的径向速度云图，其中只显示了速度小于0的负径向速度.在中心处均出现了负径向回流区，工况2和工况3在瓣峰后也出现了6个小径向回流区，其负径向速度由圆外指向圆心.由图5可知，当内二次风切向速度过大时，径向回流区的面积会有所减小.

由于径向回流区的出现，一部分由瓣峰进入的煤粉有从圆外向圆心运动的趋势，在出口处反复循环，避免了与旋流二次风过早混合，易形成缺氧状态，有效降低了NOx的生成量.同时，径向扩散的煤粉与轴向回流的高温烟气进行对流换热，这种紊流换热方式远远强于煤粉与烟气在剪切层面的层流换热方式，使得煤粉迅速达到着火热，有利于难燃煤粉的着火和燃烧.

综上所述，花瓣燃烧器主要依靠径向和轴向回流区来提高稳燃能力.瓣谷后会形成6个轴向回流区，并逐渐扩展成环状，六边形一次风的存在加强了剪切层面的层流换热.瓣峰后形成径向回流区，使煤粉与回流的高温烟气进行对流换热.在这2类回流区的共同作用下，难燃煤粉与高温烟气迅速混合，煤粉充分吸收高温烟气热量，达到着火温度并充分燃烧，有效提高了旋流燃烧器对低挥发分煤种的适应能力.

瓣谷中心y-z面

瓣峰中心x-z面

瓣谷中心y-z面

瓣峰中心x-z面

瓣谷中心y-z面

瓣峰中心x-z面

(a)工况1

(b)工况2

(c)工况3

4　结　论

(1)三维数值模拟可以很好地反映花瓣燃烧器的流场特性，数值模拟结果与试验结果基本吻合.

(2)花瓣燃烧器在瓣谷处形成6个轴向回流区，与六边形一次风在剪切层面进行层流换热，接触面积增大，换热加强.

(3)花瓣燃烧器在瓣峰后形成径向回流区，煤粉与回流的高温烟气进行对流换热，其换热效果强于传统燃烧器，这种特殊的换热方式可以成为旋流燃烧器的一个新研究方向.

(4)在一定范围内，切向速度越大，轴向回流区形成越快，但过大的切向速度会使径向回流区的面积减小.

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Characteristic Analysis on Recirculation Zone of a Petal-shaped Swirl Burner Based on Cold-state Conditions

LIHuijun1，JIABaotong1，JIAOYingzhi1，WEIGang2

(1.School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University,Baoding 071003, Hebei Province, China; 2. Hebei Electric Power Research Institute,State Grid Hebei Electric Power Corporation, Shijiazhuang 050021, China)

Based on physical models set up for a petal-shaped swirl burner, numerical simulations were performed to the outlet flow field using Fluent software at different tangential velocities of inner secondary air, so as to analyze the characteristics of the recirculation zone and compare the simulation results with cold-state experimental data. Results show that the petal-shaped swirl burner is able to form both axial and radial recirculation zones in the valley behind petal peak, where the radial convective heat transfer has a good effect on combustion stabilization, thus improving its adaptability to low-quality coal; within a certain range, the greater the tangential velocity is, the faster the axial recirculation zone will be formed, but too high tangential velocity will lead to the reduction of radial recirculation zone.

petal-shaped swirl burner; combustion stabilization; recirculation zone; outlet flow field; numerical simulation

A学科分类号：470.30

2014-04-08

2014-05-26

李慧君(1964-)，男，吉林伊通人，教授，博士，研究方向为：强化换热.电话(Tel.): 13513322982；E-mail：hj_li009@sina.com.

1674-7607(2015)02-0103-05

TK223.2